让量子器件更简单

2019-07-19 06:10:22 科学中国人·上半月2019年5期

刘婉茹

习近平总书记说过:“科技创新,不能等待观望,不可亦步亦趋,当有只争朝夕的劲头。”如今,发展面向量子通信应用的光量子器件是国家重大需求,在这条道路上继续探索挖掘,把自己所致力的科研问题搞清楚,做出更多实用化成果,便是张巍内心不变的理想与原动力。

物理定律不能单靠“思维”来获得,还应致力于观察和实验。从普通人的视角看,量子科学似乎很遥远、很枯燥,还很难懂,但科学家们却从中发现了其隐藏的魅力,并通过细心的观察与实验推动着量子科学与技术的迅速发展,尤其是量子通信这一近20年发展起来的新型交叉学科,近年来已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的密切关注,在方方面面影响着我们的日常生活。

2017年,科技部等四部门联合印发的《“十三五”国家基础研究专项规划》(下称《规划》)提出,“十三五”期间,着眼于更长远的国家重大战略需求,构建未来我国科技发展制高点,组织若干项基础研究类重大科技项目,其中列出两大项目:一是量子通信与量子计算机;二是脑科学与类脑研究。特别是在量子通信技术的发展中,光量子信息器件与系统研究更是其中必不可少的一环。为了突破关键光量子器件这一制约光量子信息技术走向实际应用的瓶頸,近年来,张巍的研究工作主要集中在借鉴光电子器件发展经验,沿着“全光纤集成”和“全硅集成”的技术路线发展新型光量子信息器件和系统,不断推动着光量子信息技术向实用化发展。

筑梦清华——放飞在量子世界的梦想

立德立言,无问西东,清华人的精神一直在影响着张巍近20载的科研岁月。1998年7月,张巍获得了清华大学电子工程系学士学位,通过免试推荐成为该系的博士研究生,师从彭江得教授开展研究工作,并于2003年7月毕业后,正式留校任教。可以说,清华是张巍科研梦想的发轫地,更是他延续科研理想的沃土。

在他人看来,张巍的科研人生是顺风顺水的,但殊不知,在科研道路的选择上张巍也经过了一系列转折。由于本科是电子工程的背景,博士期间,张巍也一直从事面向技术工程应用的光纤通信方面的研究,这让他与大部分量子信息与量子器件领域的学生一脉相承的研究之路相比显得有点“特殊”。之所以转入如今的科研方向,张巍直言这与导师对自己的影响有着莫大的关系。张巍的博士导师在光通信器件和设备研究中造诣颇深,针对2000年前后国内企业与学校研发能力的变革,他建议张巍在学校从事更多贴近学术前沿的研究工作。当时微纳光电材料与结构的发展很快,从中牵引出非常丰富的器件物理新概念与新机制。预见这一发展趋势,张巍的首要想法就是抓住器件物理与量子信息的学科交叉点,开展光量子信息新器件的研究。

2010年左右,张巍及其所在团队找到了一个新的切入点——利用光纤来做纠缠的量子光源。“随着量子通信技术逐渐走向工程应用,传统的实验室技术在工程环境中会出现很多问题,必须发展新的器件技术来满足量子工程的要求。”张巍说。基于之前在光通信方面的研究基础,张巍及其团队成员希望能够通过和光通信兼容的成熟技术从事光量子信息器件方面的研究,选用的材料包括光纤、硅光子学芯片等,瞄准量子通信应用开展相关探索。以此为起点,他们开始了在光量子信息技术研究道路上的探索之路。

不悔选择——在光量子器件领域开拓、坚守

“在量子通信领域,电子工程学科背景的人其实参与得很少,大多数都是从事物理研究的科学家从学术的角度探索前行逐渐发展到科研应用层面。”张巍坦言。最开始的时候,他和团队成员们也曾经历过一段迷茫的时期,除了科研设备及科研条件的限制,他们还要学习更多的新概念和新技术。所幸的是,这些困难都未曾阻挡张巍团队的求知欲与探索心,他们凭借扎实的科研基础,一步步走出了困境,并取得了诸多创新性科研进展。

近年来,他们将研究方向集中于面向量子通信应用的光量子器件,重点关注实现关联/纠缠双光子量子态产生的量子光源。传统上这类量子光源依赖晶体中二阶自发参量下转换实现,一般工作在800nm波段,由体光学器件搭建而成,需要精细的光路调整。尽管这类量子光源在各种量子光学实验中广泛使用,但是它对工作环境要求严格,难以器件化和集成化,不能满足量子通信实用化发展需要。在这一现状之下,张巍与团队成员们以三阶非线性波导中的自发四波混频为物理机理,采用光纤和硅光子器件发展光通信波段的量子光源,以此为基础突破若干量子通信方案的物理实现瓶颈,在此过程中,解决四波混频量子光源的关键科学问题,发展出实用化设备实现成果转化。

事实上,早在2009年张巍刚从事这一研究时,国际上已有光纤关联双光子和偏振纠缠双光子产生的研究工作报道,但相关工作还处在研究物理特性,探索材料选择和优化产生性能的基础研究阶段。这一技术能否克服光纤固有的高拉曼散射噪声和偏振/相位不稳定,如何实现光量子信息应用所需的复杂量子态,是否有潜力发展成实用化量子光源设备等一系列问题尚待深入研究。

在这一并不明朗的研究现状下,张巍团队从材料选择、测量方法和光纤环境3个方面提供了克服光纤量子光源噪声的手段。他们充分应用光纤光学技术克服光纤中偏振/相位不稳定,实现了多种纠缠量子态的产生,论证了光通信波段光纤量子光源的完整解决方案。在学术研究的同时,他们还先后发展出三代光纤量子光源实验样机提供量子信息研究单位测试和实际使用。

与此同时,张巍团队在国内率先开展基于硅光子器件中自发四波混频的光通信波段量子光源研究。随着研究进程的稳步行进,张巍及其研究团队逐渐形成了“按需设计”的科研思想,即器件要根据系统的需要来进行设计。在从事光纤量子光源的研究过程中,光纤噪声大、需要制冷才能在工程中应用的弊端逐渐显露出来。与石英光纤相比,单模硅波导的三阶非线性系数高5个量级,量子光源功能仅需毫米量级波导即可实现,支持芯片集成。另一方面,硅的自发拉曼散射谱很窄便于滤除,因此硅量子光源噪声低且支持室温工作。从长远来看硅波导量子光源从整体性能和工程应用上面将更有前景,这也给了张巍及其团队工作人员更多的机遇与挑战。从那时候开始,张巍团队历时4~5年的时间开展了对硅波导量子光源器件的相关探索,通过不断攻关,如今他们已在硅波导量子光源上建立了完备的技术。

除此之外,作为国际上较早开始从事硅微环腔量子光源实验研究的团队,他们实现的双光子产生率和噪声特性处于最好水平之列。在研究中,他们充分利用光纤光学和硅光子芯片技术先后实现了高质量关联双光子,可预报单光子、偏振纠缠、频率纠缠、能量—时间纠缠和超纠缠等多种双光子量子态的产生,形成了光通信波段四波混频量子光源的完整解决方案。

科学研究的最终目标就是将研究成果落地生根。在量子光源器件技术的逐渐完备之下,张巍团队决心将科研成果逐渐推向应用。因此,在2015年前后,张巍及其所在团队开始着手与中科院上海微系统所等研究单位展开合作,在光纤量子光源设备研制和技术转化方面的工作也得到同行们的关注和认可。除此之外,他们还结合目前的量子光源技术开展量子通信新协议和新方案研究,以此不断拓展自身的科研工作,同时为光量子信息器件的发展提供新的应用牵引。

在循序渐进的探索与发展中,他们力图利用自主发展的四波混频量子光源突破量子通信的技术瓶颈。他们研究发展的四波混频量子光源工作在光通信波段,与光网络技术兼容且可以根据不同系统应用需要进行设计。在发展相关器件技术的同时,他们还将四波混频量子光源应用到不同量子通信方案,从器件支撑的角度推动量子通信技术发展。目前,张巍已结合以往的科研成果发表第一作者和通信作者论文80余篇,以第一发明人授权发明专利7项,做国际会议邀请报告9次,研究工作得到了领域内广泛的学术关注。

马不停蹄——向下一階段的研究进发

我们所做的每一个选择,都有可能成为人生的转折点。回首过去,张巍很庆幸自己选择进入量子信息领域。在前路迷茫之际,他很感谢自己的博士生导师能为自己指点迷津,让他选择了量子信息这一有长远发展趋向的研究方向,事实证明这个选择是正确的。

“当时,我所面临的最大的困难恐怕就是要说服自己踏入量子信息研究领域。”张巍说,“我所从事的电子科学与技术学科是电子工程的物理基础和硬件支撑。我们研究工作的最终目标是要将器件越做越小,使其功耗越来越低,沿着这一目标不断追求,最终一定会遇到量子效应和量子现象。习惯上,我们总是想对此采取回避态度,选择避免量子效应,按照原有的路线向前发展。但到了现在的阶段,我们就会想怎样利用量子效应做一些更有意义的事情。因此,从这一角度上来说,量子科学与技术可以说是从事电子和光电子器件研究的科研工作者的必经之路”。现如今,张巍所从事的研究工作与之前在光通信系统与器件、微纳光电材料和集成、光学芯片等方向的科研经验达到了完美结合,因此他在这条路上也走得愈加踏实并充满动力。

科学研究的魅力就在于其会引领研究者产生更多的思考。在多年来光量子器件及其量子通信应用的科研实践中,张巍深切体会到了器件与系统研究密不可分,光量子器件的发展需要系统需求牵引,其价值也必须通过系统应用体现。“在光量子信息领域,有相当丰富的工作处在从基础研究到应用研究的过渡之中,各种技术并存、各类方案众多,每一个方案对器件的要求不同,很难达到统一的指标,如想要体现所研发的光量子信息器件的价值,就必须将其用在系统上面。”张巍说。

在之前的工作中,张巍团队主要面向光纤量子通信学术研究的需要采用光纤和硅光子器件发展光通信波段量子光源。“从电子工程学科的角度从事科研工作,研究者要意识到自己工程师的身份,不光要探究未知还要面向应用解决问题。”张巍说。在这之后,张巍希望能够进一步将新型量子光源应用于解决量子通信技术向实际应用推进的关键技术瓶颈。

“师者,所以传道授业解惑者也。”在对博士生进行科研引导时,他也希望能将自己的思想传递给每一位学生。在他看来,每一位博士生不光要意识到自己是一名学生,更要意识到自己是一位独立的科研工作者,不管是在光量子通信系统层面还是光量子信息器件层面,他都希望学生们能够勇于探索,做出更多面向实际应用的原创工作。

从事科学研究需要科研工作者守住初心,忍耐寂寞,更要有乘风破浪的勇气。未来,张巍团队也有着属于自己的科研规划,他们的研究方向将围绕着高维量子态、量子网络等几个关键词来展开。处在高维量子态的光子可以承载更多的信息,那么如何产生和操控这样的高维量子态实现量子信息应用?在量子网络层面,点对点的量子通信协议如何简单方便地做到多用户扩展?怎样利用高维量子纠缠使量子网络更高效,从而节省量子资源?在器件层面,能否开拓一条新的技术路线,打造全功能的光量子芯片的平台技术,做一些真正有意义的应用?这些都是张巍团队将要努力的方向。

前路任重而道远,压力也如影随形。但在张巍看来,科学研究并不是一蹴而就的事情,就像他钟爱的运动长跑一样,只有热爱与坚持才能引领研究走向最终的目的地。而他与团队有信心也有恒心与耐力,在研究中不断突破,向着目标冲刺、进发。